Способ сжигания жидкого топлива и горелочное устройство для его осуществления
Патент 1835180
Авторы
Классы МПК
Способ сжигания жидкого топлива и горелочное устройство для его осуществления
Реферат
Изобретение относится к энергетике и может быть использовано в горелочных устройствах прямоточного и вихревого типа с внутренним смешением жидкого топлива и распылителя. Цель изобретения - повышение качества сжигания топлива путем улучшения смесеобразования и снижения удельного расхода распылителя. Способ заключается в сжигании жидкого топлива путем подачи топлива и распылителя соосными кольцевыми струями в зону смешения и вывода смеси в виде кольцевого потока, при этом распылитель подают со скоростью, равной 0,1-0,7 скорости на выходе из зоны смешения. Горелочное устройство содержит цилиндрический корпус 2, по оси которого установлен пламепровод 3 с образованием кольцевой вихревой смесительной камеры 1, снабженной у входного торца узлом 6 подачи топлива и узлом 5 подачи распылителя с завихрителем 4, а в выходном торце камеры 1 выполнено кольцевое отверстие 8 для выхода смеси, узел 6 подачи топлива расположен вокруг пламепровода 3, а кольцевое отверстие 8 выполнено с примыканием к внутренней стенке корпуса 2, причем отношение площади проходного сечения кольцевого отверстия 8 к суммарной площади проходных сечений входных каналов завихрителя 4 равно 0,1- 0,7 узел 6 подачи топлива заведен в вихревую смесительную камеру 1, а вокруг последней соосно установлена дополнительная аналогичная ей кольцевая вихревая смесительная камера 11 с узлами 16 и 15 подачи топлива и распылителя 2 с.и 2 з.п. ф-лы, 11 ил.
Изобретение относится к энергетике и может быть использовано в горелочных устройствах прямоточного и вихревого типа с внутренним смешением жидкого топлива и распылителя. Оно может быть использовано также для распыления суспензий и растворов, подаваемых в реакторы и сушилки химической, микробиологической и пищевой промышленности. Цель изобретения повышение качества сжигания топлива путем улучшения смесеобразования и снижение удельного расхода распылителя. Экспериментально установлено, что независимо от типа форсунки внутреннего сгорания (прямоточная или вихревая) и организации цилиндрического объема камеры смешения (круговой или кольцевой), при определенных соотношениях сечений (скоростей) входа распылителя в камеру смешения и выхода из нее имеет место максимум скорости выхода, который соответствует наилучшему качеству распыливания и сжигания топлива. На фиг.1 представлена экспериментальная зависимость относительной скорости выхода Mвыхв распылителя (сжатый воздух) из камеры смешения от отношения сечений выхода Fвых и входа Fвх. Отношение Fвых/Fвх является одновременно отношением скоростей входа Wвх и выхода Wвых распылителя (с поправкой на изменение его плотности), поскольку объемным расходом топлива (менее 1 от объема распылителя) можно пренебречь. Скорость Мвыхв представляет собой отношение действительной скорости выхода Wвыхвраспылителя (без подачи жидкости) из камеры смешения к его местной скорости звука (а). Точка 1 соответствует прямоточной форсунке с круговым объемом камеры смешения, точка 2 вихревой форсунке с кольцевым объемом камеры смешения. Максимальные значения скорости выхода Мвыхв 0,5-0,55 в пределах точности определения ( +4-5%) находятся в области изменения геометрических соотношений 0,1 Fвых/Fвх 0,7 или соотношения скоростей 0,1 Wвх/Wвых 0,7. С учетом формы зависимости Мвыхв f(Wвх/Wвых) оптимум близок значению Wвх/Wвых 0,3. На фиг.2 представлено горелочное устройство для осуществления способа сжигания. Оно содержит кольцевую вихревую смесительную камеру 1, в которую распылитель подают через завихритель с суммарной площадью проходных сечений входных каналов Fвх со скоростью Wвх и выводят через кольцевое отверстие 8 площадью проходного сечения Fвых со скоростью Wвых. Установлено, что на скорость выхода смеси влияют прежде всего два параметра это давление распылителя и количество подаваемого топлива. Скорость выхода Мвыхв имеет характерную зависимость (фиг. 4) от относительного давления выхода (Рвых./Ра). Рвых абсолютное статическое давление в камере смешения на уровне выходных отверстий форсунки. Отношение скорости выхода Wвыхсм смеси распылителя и жидкости к скорости Wвыхв выхода распылителя без подачи жидкости в зависимости от удельного расхода распылителя (Gв/Gж) относительно расхода жидкости представлено на фиг.5. На фиг.4 и 5 приняты следующие обозначения: 1 48 отверстий диаметром 2 мм, вихревая форсунка 2 42 " " " " " 3 36 " " " " " 4 30 " " " " " 5 24 " " " " " 6 12 " " " " " " 7 8 " " 5 мм, прямоточная форсунка 8 4 " " " " " 9 2 " " " " " 10 6 " " 5,5 мм, " " 11 8 " " " " " 12 8 " " 3 мм, " " На фиг.6 приведена зависимость Мвсмых Мввых от относительного давления Рвых/Ра Кривые 1 7 отражают соответственно изменение Gв/Gж от 0,5 до 3,5 с интервалом 0,5. На фиг.7 приведена зависимость Мвыхсм f(Gв/Gж), а кривые 1-7 отражают соответственно изменение Рвых/Pа от 1,2 до 2,4 с интервалом 0,2. Кривая 8 соответствует Рвых/Рa 3,6. По фиг.6, 7 определены минимальные значения Рвых/Ра 2,2 и Gв/Gж 2 ( Мвыхсм 4-5) для распылителя воздуха, когда сохраняется высокое качество сжигания топлива. С учетом предельных значений Рвых/Ра, Fв/Gж, Мвыхсм (по фиг.6 и 7) и ввода поправки на плотность op / oв где соответственно op и oв- плотность рабочего распылителя и воздуха при нормальных условиях, а также реальных температур и соответствующей им скорости звука распылителя (сжатого воздуха или водяного пара) может быть выполнена оценка нагрузки сечения выхода кольцевого потока по топливу. Gж/Fвых 190.220 кг/с.м2 При уменьшении Gж/Fвых < 190 возрастает удельный расход распылителя Gв/Gж, а при Gж/Fвых > 220 резко снижается скорость выхода, качество распыливания и сгорания. Величину Gж/Fвых 220 кг/с . м2 следует квалифицировать как предельную нагрузку, составляющую 100% от номинальной. Номинальная нагрузка по топливу составляет (Gж/Fвых)ном 220/1,1 220 кг/с.м2 и является масштабным фактором при оценке геометрических характеристик горелочного устройства. Цель изобретения повышение качества сжигания топлива. Указанные отличительные признаки позволяют повысить качество сжигания топлива за счет равномерности перемешивания и выхода смеси в топочный объем. Размещение узла подачи топлива по наружной образующей пламепровода позволяет осуществить равномерность подачи топлива в кольцевую вихревую смесительную камеру через коаксиальный ряд сопел (или кольцевую щель) в зону с минимальным противодавлением. Поскольку в закрученном потоке статическое давление изменяется по радиусу камеры, уменьшается к центру, противодавление топливу минимально, а в отдельных случаях топливо подсасывается в камеру смешения. Кольцевое отверстие для выхода смеси, выполненное в виде равномерной щели или ряда отверстий с примыканием к внутренней стенке корпуса, обеспечивает выход смеси при максимальном статическом давлении, близком к давлению входа распылителя, при максимальном значении скорости выхода Wвыхв. На фиг.8 представлена зависимость отношения абсолютных значений давления выхода Рвых и входа Рвх от соотношения сечений кольцевого отверстия Fвых и входных каналов завихрителя Fвх распылителя. Кривая 1 характеризует прямоточную форсунку, а кривая 2 вихревую. Зависимость иллюстрирует отмеченное преимущество вихревой форсунки над прямоточной. Суммарная площадь выходного кольцевого отверстия Fвых, отнесенная к суммарной площади входных каналов завихрителя Fвх ограничена минимальным пределом Fвых/Fвх= 0,1, соответствующим практическому выравниванию давления до и после завихрителя Рвых/Рвх 1), что указывает на вырождение вихревого потока и, соответственно, на снижение равномерности распределения топлива в распылителе. В этом случае прямоточная и вихревая форсунки равноценны. Максимальный предел Fвых/Fвх 0,7 ограничен снижением скорости выхода (фиг. 1). Широкий диапазон соотношения Fвых/Fвх, в котором сохраняется достаточная, для высокого качества сжигания топлива, скорость выхода распылителя, обеспечивает дополнительные преимущества при унификации конструктивных элементов горелочного устройства. При неизменных значениях габаритных размеров, входного сечения завихрителя и удельной нагрузки выходного кольцевого отверстия по топливу (Gж/Fвых 200 кг/с.м2) соотношение Fвых/Fвх, а следовательно, и номинальная абсолютная нагрузка по топливу Gж могут быть изменены семикратно при обеспечении минимального давления распылителя на выходе Рвых/Ра2,2. А при изменении входного сечения завихрителя диапазон номинальных значений нагрузки по топливу, при неизменных габаритах горелочного устройства, может быть еще более расширен. Заведение узла подачи топлива в вихревую смесительную камеру позволяет организовать дополнительную поверхность нагрева топлива в момент запуска за счет излучения запального факела. Такой нагрев первой порции топлива крайне необходим при розжиге тяжелого мазута. Установка соосно вокруг вихревой смесительной камеры дополнительной, аналогичной ей кольцевой вихревой смесительной камеры с узлами подачи топлива и распылителя, позволяет выполнить горелочное устройство двухступенчатым. Первая ступень, ближайшая к оси, обеспечивает запуск и работу топочного агрегата в режиме холостого хода (30-50 нагрузки), что важно для упрощения системы автоматизации рабочего процесса мощных агрегатов. На фиг.2 представлен продольный разрез вихревого горелочного устройства с внутренним смешением топлива и распылителя; на фиг.3 разрез А-А на фиг.2; на фиг. 10 продольный разрез горелочного устройства с узлом подачи топлива, заведенным в вихревую камеру смешения; на фиг.11 продольный разрез горелочного устройства на фиг.10 с дополнительной кольцевой вихревой камерой. Горелочное устройство содержит кольцевую вихревую смесительную камеру 1, образованную цилиндрическим корпусом 2 и пламепроводом 3. У входного торца камеры 1 расположен завихритель 4, соединенный с узлом подачи распылителя 5. Завихритель 4 может быть выполнен тангенциальным, аксиальным или аксиально-тангенциальным с проходными каналами, образованными плоскими или объемными лопатками, а также в виде сопел-трубок. Узел 6 подачи топлива расположен вокруг пламепровода 3 и оборудован входом 7 в камеру 1. Узел 6 может быть заведен в камеру 1 (фиг.10) с целью образования дополнительной поверхности нагрева на стенке пламепровода 3 для топлива, поступающего на смешение в камеру 1 через вход 7. Камера 1 оборудована кольцевым отверстием 8 для выхода смеси, выполненным с примыканием к внутренней стенке корпуса 2. Пламепровод 3 является составной частью запального устройства, присоединенного с входного торца (не показано). Мощные горелки выполняют двухступенчатыми (фиг. 11). Вокруг корпуса 2 соосно установлена дополнительная кольцевая вихревая смесительная камера 11 аналогичная камере 1. В камере 11 корпуса 2 камера 1 является осевым каналом 13, в котором располагается первая ступень горелки. Камера 11 оснащена узлом 16 подачи топлива с входом 17, завихрителем 14 и узлом 15 подачи распылителя и кольцевым отверстием 18 для выхода смеси. Суммарное сечение кольцевого отверстия 8, 18 для выхода смеси, отнесенное к суммарной площади проходных сечений входных каналов завихрителя 4,14 равно 0,1-0,7. Направление струй из кольцевого отверстия 8,18, в зависимости от конструкции камеры сгорания, обеспечивают углом наклона выходного торца кольцевой камеры 1,11 относительно оси горелки (фиг.11). Горелочное устройство работает следующим образом. При включении тягодутьевых машин агрегата в пламепроводе 3 возникает разрежение. Включают запальное устройство (не показано) и в камеру сгорания через пламепровод 3 выходит запальный факел. Распылитель подают в камеру 1 через узел 5 и завихритель 4. Топливо подают в узел 6 и далее вход 7 в камеру 1. Закрученный поток распылителя из завихрителя 4 подхватывает и распределяет в своем потоке топливо. Смесь, образовавшаяся в камере 1, через кольцевое отверстие 8 направляется в камеру сгорания, где смешивается с воздухом и воспламеняется от запального факела. В узле 6, заведенном в камеру 1 (фиг. 10), первая порция топлива разогревается от излучения запального факела, проходящего по пламепроводу 3. После воспламенения основного топлива запальное устройство выключают. В мощных горелочных устройствах перечисленные операции обеспечивают вывод агрегата на режим холостого хода (включение первой ступени горелочного устройства). Далее запуск продолжается включением в работу камеры 11 (фиг. 11). Распылитель подают через узел 15 и завихритель 14, а топливо через узел 6 и вход 17. Образовавшаяся в камере 11 смесь поступает в камеру сгорания через кольцевое отверстие 18, где она воспламеняется от факела горящей смеси, приготовленной в кольцевой вихревой камере 1. Экспериментально установлено число Uвх для входных каналов завихрителя 4 (фиг. 9) прямоточной форсунки (кривая 1) и вихревой форсунки (кривая 2), которое может быть использовано при определении скорости распылителя на входе в завихритель по формуле Wвх м/с Изобретение иллюстрируется примерами, представленными в таблице.
Формула изобретения
1. Способ сжигания жидкого топлива путем подачи топлива и распылителя соосными кольцевыми струями в зону смешения и вывода смеси в виде кольцевого потока, отличающийся тем, что, с целью повышения качества сжигания топлива путем улучшения смесеобразования и снижения удельного расхода распылителя, распылитель подают со скоростью, равной 0,1 0,7 скорости на выходе из зоны смешения. 2. Горелочное устройство, содержащее цилиндрический корпус, по оси которого установлен пламепровод с образованием кольцевой вихревой смесительной камеры, снабженной у входного торца узлом подачи топлива и узлом подачи распылителя с завихрителем, а в выходном торце камеры выполнено кольцевое отверстие для выхода смеси, отличающееся тем, что, с целью повышения качества сжигания, узел подачи топлива расположен вокруг пламепровода, а кольцевое отверстие выполнено с примыканием к внутренней стенке корпуса, причем отношение площади проходного сечения кольцевого отверстия к суммарной площади проходных сечений входных каналов завихрителя равно 0,1 0,7. 3. Горелочное устройство по п.2, отличающееся тем, что узел подачи топлива заведен в вихревую смесительную камеру. 4. Горелочное устройство по пп.2 и 3, отличающееся тем, что вокруг вихревой смесительной камеры соосно установлена дополнительная аналогичная ей кольцевая вихревая смесительная камера с узлом подачи топлива и распылителя.РИСУНКИ
Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4, Рисунок 5, Рисунок 6, Рисунок 7, Рисунок 8, Рисунок 9, Рисунок 10, Рисунок 11, Рисунок 12, Рисунок 13